基于NX的人工膝關(guān)節(jié)曲面構(gòu)造法

曹冉+葉鋒+范家豪+趙開宇

摘要：該文首先介紹了曲面重構(gòu)的方法和步驟，據(jù)此分析了兩種曲面構(gòu)造法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，最后以人工膝關(guān)節(jié)的逆向設(shè)計(jì)為例，根據(jù)實(shí)際要求，選擇了合理的曲面重構(gòu)方案，對此類零件的逆向設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：NX 曲面構(gòu)造；點(diǎn)云； 曲線

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）34-0258-01

Abstract： This article first introduces the method and procedure of the surface reconstruction， on the basis of analysis of the two kinds of surface construction method， the advantages and disadvantages of the artificial knee joint of reverse design， for example， according to the actual requirements， choose the reasonable surface reconstruction scheme， for the reverse design of such parts has the certain model function.

Key words： NX the surface structure； point cloud； curve

逆向工程又叫反向工程，用一定的測量設(shè)備對實(shí)物或模型進(jìn)行測量，獲得三維輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)，再根據(jù)測量點(diǎn)數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重新構(gòu)建實(shí)物的CAD模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的過程[1]。曲面重構(gòu)是逆向工程中重要的一個(gè)步驟，這是通過采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建點(diǎn)、線、面對模型進(jìn)行還原，也是對后續(xù)產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)的一個(gè)基礎(chǔ)，可以根據(jù)實(shí)際的要求對模型進(jìn)行修改。

1 曲面常見的重構(gòu)方法

1.1 常規(guī)曲面構(gòu)造法

方案一：首先對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，來確定模型的基本曲面，然后找到能體現(xiàn)這些曲面的特征部位，截取它們的特征點(diǎn)，通過不同的曲線將這些點(diǎn)串聯(lián)起來，得到特征線，最后通過網(wǎng)格曲線構(gòu)建曲面?；蛘哌\(yùn)用掃掠命令，按照采集到的片體輪廓走勢構(gòu)建藝術(shù)樣條，通過曲率來調(diào)整樣條，通過掃掠生成曲面。

方案二：這種方法不需要構(gòu)建任何曲線，而是通過電腦軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速生成非參數(shù)化的擬合曲面[2]，然后手動(dòng)調(diào)節(jié)控制點(diǎn)達(dá)到所需要的形狀。所以要先對模型表面造型進(jìn)行分析，將由明顯特征處或者是曲率變化較大處劃分成單獨(dú)區(qū)域，如果劃分的區(qū)域能夠很好地表達(dá)模型的特征部位，那么所劃分的區(qū)域越少越好，以此來減小誤差。

2 不同曲面構(gòu)造法的優(yōu)劣點(diǎn)

方案一：由點(diǎn)到線到面，這種方法是將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過曲線連接起來，這些曲線會(huì)影響擬合成的曲面質(zhì)量，因此將點(diǎn)云擬合成高質(zhì)量的網(wǎng)格曲線是關(guān)鍵。通過網(wǎng)格曲線構(gòu)造曲面時(shí)，在連接數(shù)據(jù)點(diǎn)的過程中，需要將連接的曲線與掃描采集到的片體貼合，并且使之分布間隔均勻，輪廓走勢一致以確保曲率誤差最小，光順度在G1上連續(xù)。然后根據(jù)片體的外輪廓的走勢，在上面截取特征部位的輪廓曲線，最后根據(jù)輪廓曲線上的采樣點(diǎn)擬合構(gòu)建曲線，用通過網(wǎng)格曲線的方法構(gòu)建曲面。這種方法是根據(jù)采集到的片體外輪廓截取點(diǎn)來構(gòu)建曲線的，可以根據(jù)實(shí)際情況來改變面的走勢，所以誤差較小，但是由于可以根據(jù)要求人為的改變面的走勢，而且很難在G2上連續(xù)，曲面光順較差。

方案二：這種方法很難保證中間曲面是否與模型相同，雖然生成的中間曲面比較光順，但與原來的點(diǎn)云差距比較大，所以構(gòu)成的曲面與原模型誤差較大。并且擬合曲面的方法較少，所以當(dāng)遇到比較復(fù)雜的模型時(shí)，需要按照曲率劃分為不同的區(qū)域，這也增加了構(gòu)建的曲面與采集到的片體間的誤差。

3 案例分析

由于本次逆向設(shè)計(jì)的模型是膝關(guān)節(jié)，對表面光順要求不是很高，所以采用方案一。首先利用非接觸式的三維掃描儀采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后用Geomagic Qualify軟件，修剪掉噪聲點(diǎn)，進(jìn)行片體的修補(bǔ)，接著調(diào)整坐標(biāo)系，得到膝關(guān)節(jié)片體如圖1所示。接著根據(jù)得到的膝關(guān)節(jié)片體圖，利用NX8.5截取截面曲線截的點(diǎn)，如圖2所示。將曲面變化較大的點(diǎn)截取下來，利用曲線將它們連起來，得到一條條曲線，再用網(wǎng)格曲線命令將這些曲線生成基本曲面，最后通過過度曲面，完成造型，如圖3所示。

4 結(jié)束語

本文主要說明了逆向設(shè)計(jì)中，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)來重構(gòu)曲面的方法。著重分析了兩種方案的曲面構(gòu)造方法及兩種方案的優(yōu)劣點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上以實(shí)際案例為例，說明了膝關(guān)節(jié)由采集的片體到完成造型的一個(gè)過程。

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